(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料との反応の前にガス状流体を加熱し前記反応により作り出されたガス状混合物を冷却する管形熱交換器を備えた燃料転換反応炉であって、
前記熱交換器が、一次および二次の端部と、前記端部の間に広がり内部に位置された熱交換チャンバを規定する側壁とを有する一次のシェル部材と、
前記熱交換チャンバの中に前記ガス状流体を導入するための入口と、
前記一次の端部の近傍で前記一次のシェル部材に固定して装着され、前記チャンバの一端部で前記熱交換チャンバを封止して閉じる第１の管板と、
前記一次のシェル部材と別個であり前記二次の端部の近傍に位置されるとともに、前記チャンバの一端部に対向する前記チャンバの別の端部を形成した第２の管板デバイスと、
前記第１の管板から前記第２の管板デバイスに伸び前記第１の管板と前記第２の管板デバイスとに堅固に連結されるとともに、前記熱交換チャンバを通って管の内側に流れるために前記ガス状混合物用の通路を設けた複数の熱交換管とを備え、
１つまたは複数の出口開口が、前記燃料転換反応炉の運転中にそのシェル側で前記熱交換チャンバを通って流れる前記ガス状流体用の少なくとも１つの出口を設けるために、前記一次のシェル部材の前記二次の端部の領域内に形成されており、
前記第２の管板デバイスが、周側壁を有する二次のシェル部材と、前記一次のシェル部材の前記二次の端部に隣接して位置された第１の端部と、前記第１の端部から離間した第２の端部とを備え、前記二次のシェル部材と前記一次のシェル部材の前記二次の端部とがともに分離接合部を形成し、かつ前記第２の管板デバイスが前記熱交換管の熱膨張時に前記一次のシェル部材に対して自由に移動可能であることを特徴とする燃料転換反応炉。
【請求項２】
前記１つまたは複数の出口開口が、前記一次のシェル部材および前記第２の管板デバイスの少なくとも一方の中に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料転換反応炉。
【請求項３】
前記１つまたは複数の出口開口が、前記一次のシェル部材と前記第２の管板デバイスとの間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料転換反応炉。
【請求項４】
第１および第２の端部と、前記第１および第２の端部の間に広がる外部シェル壁とを有し、前記第２の端部で閉じられ前記一次のシェル部材および前記第２の管板デバイスの回りに広がり前記燃料用の入口を有する外部シェルを備え、
燃料通路が、前記外部シェル壁と前記一次のシェル部材の前記側壁との間に形成され、燃料用の前記入口から前記１つまたは複数の出口開口に伸びていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料転換反応炉。
【請求項５】
隙間が前記分離接合部に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料転換反応炉。
【請求項６】
前記１つまたは複数の出口開口が前記隙間を構成していることを特徴とする請求項５に記載の燃料転換反応炉。
【請求項７】
前記燃料と前記ガス状流体とに触媒作用を及ぼす第１の触媒をさらに備え、
前記触媒が、前記二次のシェル部材内であって前記熱交換チャンバの外側に装着され、
前記触媒が、前記ガス状混合物を作り出すために、前記燃料および前記ガス状流体の混合物を流れるように配列されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料転換反応炉。
【請求項８】
前記第１の触媒が自己熱改質触媒からなることを特徴とする請求項７に記載の燃料転換反応炉。
【請求項９】
前記第１の触媒が部分酸化触媒からなることを特徴とする請求項７に記載の燃料転換反応炉。
【請求項１０】
前記触媒が蒸気改質触媒からなることを特徴とする請求項７に記載の燃料転換反応炉。
【請求項１１】
前記第１の触媒が燃焼触媒からなることを特徴とする請求項７に記載の燃料転換反応炉。
【請求項１２】
前記一次の端部の近傍における前記一次のシェル部材内で前記熱交換チャンバの外部に配列された第２の触媒をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料転換反応炉。
【請求項１３】
前記第２の触媒が水／ガスシフト反応触媒であることを特徴とする請求項１２に記載の燃料転換反応炉。
【請求項１４】
前記第２の触媒が優先的な酸化触媒であることを特徴とする請求項１２に記載の燃料転換反応炉。
【請求項１５】
前記１つまたは複数の出口開口が前記一次のシェル部材の前記二次の端部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料転換反応炉。
【請求項１６】
前記二次のシェル部材が、第１の所定直径を持つ周側壁と、前記第１の端部で前記周側壁から伸びる同軸スリーブ伸張部とを有するとともに、前記第１の所定直径と異なる第２の所定直径を持ち、
前記スリーブ伸張部が、前記一次のシェル部材の前記二次の端部でまたはその近くで形成された前記１つまたは複数の出口開口の領域に位置される自由端を有し、
前記二次のシェル部材が、前記１つまたは複数の開口が前記スリーブ伸張部によって部分的に遮られた第１の位置と、前記１つまたは複数の開口が前記ガス状流体の通路用に少なくとも大体開いた第２の位置との間で前記燃料転換反応炉の使用中に相対的に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の燃料転換反応炉。
【請求項１７】
前記二次のシェル部材が、第１の内径を持つ周側壁を有し、前記一次のシェル部材が、一次の外径を持ち、前記二次の端部で前記周側壁から伸びる同軸スリーブ伸張部を有し、前記スリーブ伸張部が、前記一次の外径と異なり前記第１の内径と異なる外径を有するとともに、前記第２の管板デバイスの回りに形成された前記１つまたは複数の出口開口の領域に位置された自由端部を有し、
前記二次のシェル部材が、前記１つまたは複数の開口が前記スリーブ伸張部によって部分的に遮られた第１の位置と、前記１つまたは複数の開口が前記ガス状流体の通路用に少なくとも大体開いた第２の位置との間で前記燃料転換反応炉の使用中に相対的に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の燃料転換反応炉。
【請求項１８】
前記ガス状流体用の前記入口が、前記一次の端部の近傍で前記一次のシェル部材の側面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料転換反応炉。
【請求項１９】
前記１つまたは複数の出口開口の有効サイズが、前記熱交換管の熱膨張時に変化可能であることを特徴とする請求項１に記載の燃料転換反応炉。
【請求項２０】
前記外部シェルが、前記外部シェルの回りに間隔を置いて配置され、前記一次のシェル部材の前記外面に係合するように内向きに突出する突起とともに形成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料転換反応炉。
【請求項２１】
前記燃料と前記ガス状流体との混合物を前記１つまたは複数の出口開口から前記触媒に供給する燃料混合物の供給構造を備え、
前記燃料混合物の供給構造は、前記外部シェルと前記二次のシェル部材との間に形成された１つまたは複数の追加通路からなり、
前記追加通路は、前記１つまたは複数の出口開口に隣接した領域から前記第１の触媒に隣接した閉鎖混合チャンバに前記燃料と前記ガス状流体との混合物の供給を可能にすることを特徴とする請求項７に記載の燃料転換反応炉。
【請求項２２】
前記熱交換管に装着され前記熱交換チャンバ内に位置された１つまたは複数のバッフル板をさらに備え、使用中の前記１つまたは複数のバッフル板によって前記ガス状流体の流れが、前記熱交換チャンバを介して曲がりくねった通路をたどらされることを特徴とする請求項１に記載の燃料転換反応炉。
【請求項２３】
複数の前記バッフル板を備え、
前記バッフル板のうち１つは、前記出口開口に近接近しており、前記ガス状流体が前記出口開口に向かって半径方向外向きに流れる中心開口を有していることを特徴とする請求項２２に記載の燃料転換反応炉。
【請求項２４】
前記燃料および前記ガス状流体が前記入口を通して一緒に導入されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料転換反応炉。
【請求項２５】
第１および第２の端部と、前記第１および第２の端部の間に広がる外部シェル壁とを有する外部シェルを備え、
前記外部シェルの前記第２の端部が、前記第２の管板デバイスに近接して位置され端部キャップ部材により閉じられ、
前記端部キャップ部材が、前記燃料用の入口を有し、
前記入口が、前記燃料と前記ガス状流体とを混合するための混合チャンバに連通し、
前記混合チャンバが、前記端部キャップ部材と前記第２の管板デバイスとの間に位置させられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料転換反応炉。
【請求項２６】
第１の熱交換器部と、第２の熱交換器部と、を備え、
（ａ）前記第１の熱交換器部が、
（ｉ）一次および二次の端部と、前記端部の間に広がり内部に位置された第１の熱交換チャンバを規定する側壁とを有する第１の一次のシェル部材と、
（ｉｉ）前記第１の一次のシェル部材に固定して装着され、前記第１の熱交換チャンバの一端部で前記第１の熱交換チャンバを封止して閉じている第１の管板と、
（ｉｉｉ）前記第１の熱交換チャンバの前記一端部に対向する前記第１の熱交換チャンバの別の端部を形成した第２の管板デバイスと、
（ｉｖ）前記第１の管板から前記第２の管板デバイスに伸びるとともに前記第１の熱交換チャンバを通って流れるガス状混合物用の通路を提供する第１の複数の熱交換管と、
（ｖ）燃料転換反応炉の運転中にそのシェル側で前記第１の熱交換チャンバを通って流れるガス状流体用の少なくとも１つの出口を提供するために、前記第１の一次のシェル部材の前記二次の端部の領域内に形成された１つまたは複数の出口開口とを有し、
前記第２の管板デバイスが、周側壁を有する二次のシェル部材と、前記第１の一次のシェル部材の前記二次の端部に隣接して位置された第１の端部と、前記第１の端部から離間した第２の端部とを備え、前記二次のシェル部材と前記第１の一次のシェル部材の前記二次の端部とがともに分離接合部を形成し、かつ前記第２の管板デバイスが前記第１の複数の熱交換管の熱膨張時に前記第１の一次のシェル部材に対して自由に移動可能であり、
（ｂ）前記第２の熱交換器部が、
（ｉ）一次および二次の端部と、前記端部の間に広がるとともに前記第１の熱交換チャンバと連通して第２の熱交換チャンバを規定する側壁とを有する第２の一次のシェル部材であって、前記第１の一次のシェル部材の前記一次の端部が前記第２の一次のシェル部材の前記二次の端部と連なって配置されるとともに、前記第１の一次のシェル部材と同心であるようにした第２の一次のシェル部材と、
（ｉｉ）前記第２の一次のシェル部材に装着されるとともに、前記第１の熱交換器部の前記第１の複数の熱交換管と連通する第２の複数の熱交換管と、
（ｉｉｉ）前記ガス状流体を前記第２の熱交換チャンバに導入するための前記第２の一次のシェル部材の前記側壁内に設けられた入口と、
（ｉｖ）前記第２の熱交換チャンバから前記第１の熱交換チャンバへ流れる前記ガス状流体用の少なくとも１つの出口を提供するために、前記第２の一次のシェル部材の前記二次の端部の領域内に形成された１つまたは複数の出口開口とを有することを特徴とする燃料転換反応炉。
【請求項２７】
前記第１の熱交換器部が、前記第２の熱交換チャンバから前記第１の熱交換チャンバへ流れる前記ガス状流体用の少なくとも１つの入口を提供するために、前記第１の一次のシェル部材の前記一次の端部の領域内に形成された１つまたは複数の入口開口をさらに備えていることを特徴とする請求項２６に記載の燃料転換反応炉。
【請求項２８】
前記第２の一次のシェル部材の前記二次の端部と前記第１の一次のシェル部材の前記一次の端部とを取り囲む第１および第２の端部を有するとともに、前記第２の熱交換チャンバから前記第１の熱交換チャンバへの前記ガス状流体の流れのための通路を形成した外部シェル部をさらに備え、
前記外部シェル部の前記第１および第２の端部が、前記第１および第２の一次のシェル部材のそれぞれの側壁に堅固に取り付けられ、
前記通路が前記外部シェル部と前記第１および第２の一次のシェル部材との間に形成されていることを特徴とする請求項２７に記載の燃料転換反応炉。
【請求項２９】
前記第２の一次のシェル部材の前記二次の端部の領域内に形成された前記１つまたは複数の出口開口が、前記第１および第２の一次のシェル部材の間に形成されていることを特徴とする請求項２８に記載の燃料転換反応炉。
【請求項３０】
前記第２の熱交換チャンバの前記一端部に対向する前記第２の熱交換チャンバの別の端部を形成した第２の管板デバイスを有し、
前記第２の一次のシェル部材の前記二次の端部の領域内に形成された前記１つまたは複数の出口開口が、分離接合部を備えていることを特徴とする請求項２９に記載の燃料転換反応炉。
【請求項３１】
前記第１の一次のシェル部材の前記一次の端部が前記第２の一次のシェル部材の前記二次の端部よりも大きな直径であり、
前記第２の一次のシェル部材の前記二次の端部が前記第１の一次のシェル部材の前記一次の端部の内側に収容され、
前記第１の一次のシェル部材の前記一次の端部が、前記第２の一次のシェル部材の前記側壁に堅固に取り付けられ、前記第２の熱交換チャンバから前記第１の熱交換チャンバへの前記ガス状流体の流れのための通路が前記第１および第２の一次のシェル部材の間に形成されるようにしたことを特徴とする請求項２７に記載の燃料転換反応炉。
【請求項３２】
前記１つまたは複数の入口開口が、前記第１および前記第２の一次のシェル部材の間に連続的な環状隙間を備えていることを特徴とする請求項３１に記載の燃料転換反応炉。
【請求項３３】
前記１つまたは複数の入口開口が、その一次の端部に近接して前記第１の一次のシェル部材の前記側壁内に形成された分離接合部を備えていることを特徴とする請求項３１に記載の燃料転換反応炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料転換反応炉に関し、さらに詳細には燃料電池システムにおいて使用するためのバーナーおよび燃料改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の使用は、固定設置による発電の用途のために、および、燃料電池が車両と一緒に輸送される輸送手段のために近年ますます重要になっている。これらの燃料電池の燃料は、一般的には、燃料改質装置内の１つまたは複数の触媒に水素含有燃料、通常は炭化水素または低分子重量アルコールを反応させることによって製造されている水素である。
【０００３】
燃料改質装置内で水素含有燃料から水素を発生させるための多くの既知プロセスがある。水素含有燃料を水素に転換するための第１の既知プロセスは、高温で実施される「蒸気改質」として知られている。炭化水素燃料の場合では、蒸気改質は、一般的に吸熱性である以下の反応を介して進行する：
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ  →  ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ２
蒸気改質に伴う１つの問題は、反応を前に進めて水素および一酸化炭素を作り出すために外部熱が必要とされる可能性があるという点である。外部熱は、多くのソースから蒸気改質触媒に供給することが可能で、熱交換器を使用して触媒床に伝達される。外部熱のいくらかは、触媒蒸気改質により作り出された高温改質油を再生式熱交換器に通すことによって供給され、それにより高温ガスの熱のいくらかを吸熱性の改質反応に戻す。あるいは、外部熱は、バーナー内での陽極排ガスおよび／または他の燃料の燃焼により発生されてもよい。バーナーで起こった燃焼反応が触媒作用を及ぼされまたは及ぼされないことがある。触媒および非触媒バーナーの例は、Ｐｅｔｔｉｔに対して発行された米国特許第６，２３２，００５号で説明されている。
【０００４】
水素含有燃料を水素に転換する第２の既知プロセスは、以下の発熱反応を介して進行する「部分酸化」として知られている：
ＣｎＨｍ＋ｎ／２Ｏ２ →  ｎＣＯ＋ｍ／２Ｈ２
部分酸化は、触媒を用いずに高温（約１２００℃から１５００℃）で実行可能であり、または通常５００℃から８００℃というはるかに低温で触媒を用いて実行可能である。部分酸化の１つの欠点は、燃料のいくらかが酸化により消費されてしまうため、それが水素含有燃料の１分子当たり蒸気改質より少ない水素を作り出すという点である。酸化は吸熱性であるため、熱伝達面を通して外部熱を提供する必要性はない。
【０００５】
水素含有燃料を水素に転換する第３の既知プロセスは、水素が豊富な燃料ガスを生成するために触媒の存在下で燃料と通常は空気の形態を取る水および酸素とが化学反応する「自己熱改質」である。自己熱改質は、発熱性の部分酸化と吸熱性の蒸気改質という２つの反応の組み合わせと見なすことができ、反応の正味熱は、燃料に対する酸素の割合、および燃料に対する水の割合によって決定される。一般的には、これらの割合は、反応の正味熱がわずかに発熱性となり、それにより外部熱の適用に対するニーズを排除し、その結果、実用的な用途に対して自己熱改質を魅力あるものにする相対的に簡略なシステム設計を生じさせるように確立されている。
【０００６】
前記に示された化学反応から分かるように、水素含有燃料の転換中にかなりの量の一酸化炭素が作り出される。燃料電池の被毒を回避するために、改質油内の一酸化炭素のレベルを低レベルまで削減しなければならない。特に、これは、一酸化炭素に対する耐性が低いプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池に当てはまる。したがって、改質油は、通常、好ましくは１つまたは複数の水／ガスシフト（転換）反応および／または優先的な酸化反応を備えた少なくとも１つの「一酸化炭素浄化」反応を被らされ、改質油中に存在する一酸化炭素は酸素または水（蒸気）との触媒反応で消費される。
【０００７】
利用される特定の転換プロセスに関係なく、かなりの熱応力は、耐久性に有害な影響を及ぼし得る燃料転換反応炉に及ぼされる。したがって、そのような反応炉の設計者は、これらの装置の機械的な設計において熱応力を低減しようとしている。
【０００８】
燃料転換反応炉における熱応力の問題を解消するために、２つの従来の設計手法がある。第１のものは、反応炉の構成部品の熱膨張を可能にすることにより応力レベルを低減することであり、第２のものは、最大作用応力が最大設計強度を超えないように、反応炉構造物の強度またはその構造物で使用される材料の強度を高めることである。
【０００９】
ボイラーおよび他の高温熱交換器を含む多岐に渡る用途で使用される熱交換器の既知のタイプは、「管形」熱交換器とも呼ばれる「伝熱管ブロック」構造として知られている。この種の熱交換器の説明については、Ｇ．Ｆ．Ｈｅｗｉｔｔによる１９９８年、熱交換器設計ハンドブック（Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ）の第３．１．２項および第４．２．３項を参照できる。固定管板タイプまたは固定ヘッドタイプを含む多岐に渡るこのような熱交換器がある。このタイプでは、たとえば円筒形になることもある外部金属シェルが存在し、そのシェル内には多くの管を装着した２つの離間管板が装着されている。それぞれの端部には、流体マニホルドとして働くヘッドカバー、または完全なヘッドまたはチャネルカバーがある。そのような熱交換器を用いると、作動中にシェルおよび管の熱膨張係数は、それらの間での差動移動を引き起こし得る。このタイプの過剰な移動により、管は管板で緩まされる。差動移動の問題を解消するための１つの既知方法は、シェル膨張ベローズを提供することである。
【００１０】
１９９５年１月１７日に工業技術研究所（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）で発行された米国特許第５，３８２，２７１号は、流出するガス中の一酸化炭素のレベルを低減するために、触媒が水性シフト反応で使用される水素生成のためのコンパクトな管形構造を記述している。２つの管板は円筒形シェルの対向端部の近くに装着され、仕切板の第１および第２のセットは管板の間に装着されている。複数の管が管板の間に仕切板を介して延びている。上部管板のすぐ下には多孔性の金属層が配列され、次に触媒材料はこの層の下に配列されている。下部管板の下には排気ガス室および排気口が設けられている。可燃性ガスは上端部の入口によってシェル本体の中に流れ込む。供給口は、上部管板のすぐ下にあるシェル本体の一側に配置されている。あるタイプの炭化水素に対しては、下部管板のすぐ上の最後部分で使用される別の触媒が水性ガスシフト反応用である一方、蒸気改質ステップで使用される触媒は中間部分に設置されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この既知の装置を用いると、可燃性ガスは上部管板の上のシェル内に形成された上部チャンバに入り、燃焼後に非常に高温の排気ガスが、底端部にある排気ガスチャンバに入るために管を通過する。排気ガスが管を通過する間に、排気ガスの熱は多孔性の金属材料および触媒に伝達される。この熱交換も、排気ガスの温度を減少させる。このような既知の水素発生器の構造を用いると、シェル内に堅固に装着された管板に管が外見上堅固に装着されているので、管がシェルと異なる割合で延びている場合には熱膨張問題が存在することがある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様によれば、反応炉は、燃料との触媒反応または非触媒反応の前にガス状流体を予熱するための管形熱交換器を含む燃料転換反応炉からなる。熱交換器は、一次および二次の端部と、それらの端部の間に広がる側壁とを有する一次のシェル部材を備え、側壁が、シェル部材内に位置された熱交換チャンバを形成するようにしている。ガス状流体を熱交換チャンバに導入するための入口と、一次の端部の近傍で一次のシェル部材に固定して装着されチャンバの一端部で熱交換チャンバを封止して閉じる第１の管板と、一次のシェル部材と別体であるとともに二次の端部の近傍に位置された第２の管板デバイスとがある。第２の管板デバイスは、チャンバの一端部に対向するチャンバの別の端部を形成している。複数の熱交換管は、第１の管板から第２の管板デバイスに伸び、第１の管板と第２の管板デバイスとの両方に堅固に連結されている。それらの熱交換管は、管の内部で熱交換チャンバを通って流れるガス状混合物用の通路を提供している。１つまたは複数の出口が、燃料転換反応炉の運転中にシェル側の熱交換チャンバを通って流れるガス状流体用の少なくとも１つの出口を提供するために、一次のシェル部材の二次の端部の領域内で一次のシェル部材と第２の管板デバイスとの少なくとも一方に形成されている。
【００１３】
好ましくは、反応炉は、第１および第２の端部と、それらの端部の間に広がる外部シェル壁とを有する外部シェルを備えている。外部シェルは、第２の端部で閉じられ、一次のシェル部材および第２の管板デバイスの回りに伸び、燃料用の入口を有している。燃料通路は、外部シェル壁と一次のシェル部材の側壁との間に形成され、燃料用の入口から１つまたは複数の出口開口に伸びている。
【００１４】
好ましくは、第２の管板デバイスは、周側壁を有する二次のシェル部材を備え、その周側壁は、一次のシェル部材の二次の端部に隣接して位置されている。二次のシェル部材の第１の端部と一次のシェル部材の二次の端部とが分離接合部を形成し、このようにして、第２の管板デバイスが、熱交換管の熱膨張時に一次のシェル部材に対して自由に移動可能である。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、燃料を熱いガス状混合物に転換する方法は、熱交換チャンバを規定するとともにその内部に装着されそれぞれが前記チャンバを通って伸張する複数の熱交換管を有する熱交換シェル装置を提供し、それらの管が熱いガス状混合物の流れのための通路を提供することからなる。燃料と反応されるガス状流体が、熱交換チャンバに導入されチャンバを通過し、それによって、管を通って流れる熱いガス状混合物との熱交換器によりガス状流体を加熱させている。加熱されたガス状流体は、チャンバから引き出され、燃料とガス状流体との混合物を提供するために燃料と混合される。この初期混合物は、熱いガス状混合物を作り出すために、オプションでの触媒の存在下で化学反応される。
【００１６】
本発明のいくつかの好適な実施の形態では、反応炉は、燃料が酸素を含むガス状流体との触媒燃焼反応または非触媒燃焼反応を被り、それにより有効な熱が抽出されてよい燃焼ガスの熱いガス状混合物を作り出すバーナーを備えている。
【００１７】
本発明の他の好適な実施の形態では、反応炉は、水素を含有する熱いガス状混合物を作り出すために、水素含有燃料がガス状流体との燃料転換反応を被る燃料改質装置を備えており、水素を含有する熱いガス状混合物は、たとえば、燃料電池エンジンで利用されてもよい。燃料転換反応は、好ましくは、蒸気改質、触媒部分酸化または非触媒部分酸化、または自己熱改質プロセスからなり、自己熱改質は、前述された理由のために特に好ましい。水素含有燃料と化学反応されるガス状流体は、好ましくは、使用される燃料転換反応に応じて、水または蒸気、および／または、分子状酸素（ここでは「酸素」と呼ばれる）などのようなオキシダントを含んでいる。非触媒部分酸化を例外として、ガス状流体および水素含有燃料は適切な触媒の存在下で化学反応される。
【００１８】
さらに別の態様では、本発明は、燃料転換反応炉において燃料との反応の前にガス状流体を加熱するとともにその反応によって作り出されるガス状混合物を冷却するための管形熱交換器を提供し、前記熱交換器は第１の熱交換器部および第２の熱交換器部を備え、（ａ）第1の熱交換器部は、（ｉ）一次および二次の端部と、その端部の間に広がる側壁とを有する第1の一次のシェル部材であって、その側壁が、第1のシェル部材の中に位置された第1の熱交換チャンバを規定する第1の一次のシェル部材と、（ｉｉ）前記一次の端部の近傍で前記一次のシェル部材に固定して装着されるとともに、第1のチャンバの一端部で前記第1の熱交換チャンバを封止して閉じる第1の管板と、（ｉｉｉ）前記一次のシェル部材と別個であるとともに前記二次の端部の近傍に位置され、第1のチャンバの前記一端部に対向する前記第1のチャンバの別の端部を形成する第２の管板デバイスと、（ｉｖ）前記第1の管板から前記第２の管板デバイスまで伸びるとともに第1の管板と第２の管板デバイスとの両方に固定して連結され、前記第1の熱交換チャンバを通って管の内側に流すための前記ガス状混合物用の通路を提供する複数の熱交換管と、（ｖ）前記燃料転換反応炉の運転中にそのシェル側で前記第1の熱交換チャンバを通って流れる前記ガス状流体用の少なくとも１つの出口を提供するために、前記一次のシェル部材の前記二次の端部の領域内に形成された１つまたは複数の出口開口とを備え、（ｂ）第２の熱交換器部が、（ｉ）一次および二次の端部と、前記端部の間に広がるとともに第1の熱交換チャンバと連通して第２の熱交換チャンバを規定する側壁とを有する第２の一次のシェル部材であって、第２のシェル部材が、第２のシェル部材の二次の端部に近接して位置された第１のシェル部材の一次の端部と同心である第２の一次のシェル部材と、（ｉｉ）第２のシェル部材内に装着され、第１の熱交換器部の熱交換管と連通する複数の熱交換管と、（ｉｉｉ）ガス状流体を第２の熱交換チャンバに導入するための第２のシェル部材の側壁内の入口と、（ｉｖ）第２の熱交換チャンバから第１の熱交換チャンバへ流れるガス状流体用の少なくとも１つの出口を提供するために、第２のシェル部材の二次の端部の領域内に形成された１つまたは複数の出口開口とを備えている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
さらなる特徴および利点は、添付図面に関連して取られる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００２０】
本発明による好ましい燃料転換反応炉は燃料改質装置として後述される。しかしながら、後述される好適な構造のどれもが、重要でない変更を伴って触媒バーナーまたは非触媒バーナーとしての使用に等しく適していることは理解されるであろう。
【００２１】
図１は、本発明による第1の好適な燃料改質装置１０を示し、それは自己熱改質プロセスによって水素含有燃料を水素ガスに転換する目的で構築されており、そのプロセスでは蒸気および酸素を含有するガス状流体がまたは空気のような酸素を含有するガスが水素含有燃料との触媒反応を被っている。水素含有燃料が炭化水素からなる場合には、燃料改質装置１０において以下の触媒反応が起こる。
（１）部分酸化（発熱性）
ＣｎＨｍ＋ｎ／２Ｏ２ →  ｎＣＯ＋ｍ／２Ｈ２
（２）蒸気改質（吸熱性）
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ  →  ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ２
前述したように、自己熱改質における２つのステップは、空間的に分離されずに燃料改質装置１０で起こり、好ましくは同じ触媒床または構造で同時に起こる。
【００２２】
好適に図示された改質装置１０は、第1の端部１４および第２の端部１６を有する外部シェル１２を有する。シェルは、第1の端部と第２の端部との間に伸びる円筒状内面１８と円筒状外面２０を有する。第２の端部は、外部シェルの円筒状本体に固定して取り付けられた上部キャップ部材２２によって閉じられている。図２および図４ａに示されているように、外部シェルに形成された長手方向に伸びるリブ２４の形態で内向きに伸びる突起があり、それらは以下に説明される目的で設けられる。リブの底端部は、外部シェルの底端部または第１の端部１４から離れて間隔を置いて配置されている。
【００２３】
燃料改質装置１０の代替構造は、図１２および図１３に描かれている。この実施の形態は、外部シェル１２が、リブ２４と同じ目的のために働く円形の窪み（ディンプル）２５の形態で内向きに伸びる突起を有していることを除き、図２に図示される実施の形態と同じである。図１２に図示されるように、窪み２５は、他の配列が可能であるけれども、長手方向に伸びる列で配列されてもよい。描かれている窪みは円形であるけれども、楕円形または長方形などのような明らかに他の形状も可能である。外部シェル１２に対して一次の内部シェル３０の熱膨張を許容するために、それぞれの窪みは、他の配列も可能であるけれども、好ましくは、１つまたは２つの環状波形３１に囲まれてもよく、その環状波形は、それが膨張するにつれて窪みの内端部が内部シェル３０により外向きに押され得るようにしている。同様に、図２の実施の形態のリブ２４も同じ目的で１つまたは２つの波形３３に囲まれ得る。別の代替構造は、一次の内部シェル３０の上に（および後述される二次の内部シェル４０の上にも）リブまたは窪みを設け、その場合にはリブまたは窪みは外向きに突出して外部シェル１２の内面と係合している。
【００２４】
図４ｂは波形３３の使用代替を描いている。図４ｂでは、外部シェル１２は、高さを低減した内向きに伸びるリブ２４′を設けられており、改質装置１０が動作温度に達する前に一次の内部シェル３０がリブ２４′の数本またはすべてと接触していないようにしている。改質装置が温まり内部シェルが外向きに膨張するにつれ、好適にはそれはリブ２４′の少なくとも数本と接触し、それにより図４ａにあるように内部シェル３０を外部シェル１２内の中心に置いている。このようなタイプの配列は、リブ２４が窪み２５に置き換えられた改質装置のタイプでも使用できることが理解されるであろう。
【００２５】
水素含有燃料用の第１の入口２６は、第１の端部１４の近傍で外部シェルに形成されている。この入口は、水素の製造に適した様々なタイプのうちの任意の１つである水素含有燃料の供給に適切なホースまたはパイプ（不図示）によって接続されることが理解されるであろう。たとえば、水素含有燃料が、ガソリン、ナフサ、灯油、ディーゼル燃料などの１つまたは複数の石油留分、メタン、エタン、プロパンなどを含んだ天然ガスまたは１つまたは複数のその成分から選択された炭化水素燃料を有してもよい。あるいは、水素含有燃料はメタノールおよびエタノールなどのような１つまたは複数のアルコールを有してもよい。好ましい炭化水素燃料はガソリンおよびメタンである。入口２６を通る燃料の流量は、燃料電池エンジンの負荷要求を満たすために、スロットルまたは制御弁などのような任意の適切な手段により制御できる。
【００２６】
一次の端部３２および二次の端部３４を有する一次の内部シェル３０は外部シェルの中に伸びている。外面３６は一次の端部と二次の端部との間に広がっている。一次の内部シェル３０が、外部シェルの第１の端部１４で外部シェル１２に堅固に取り付けられていることは理解されるであろう。２つのシェルは、溶接または蝋付けによりこの位置に取り付けることができる。内部シェル３０が外部シェルの開口した第１の端部１４の中に伸び、かなりの距離だけ外部シェルの中に突出していることが分かるであろう。燃料通路３８は、内部シェルの外面３６と外部シェルの内面１８との間に形成され、入口２６から一次の内部シェルの二次の端部３４まで長手方向に伸びている。前述されたリブ２４が外部シェルに形成されると、燃料通路３８は図４ａに描かれているように複数の別々の副通路３８ａを備えることができる。リブは入口２６のレベルに至るまでずっと伸びていないので、これらの副通路の底端部は、燃料が内部シェルの回りで副通路のすべてを通って上方に流れることができるように相互接続されている。リブの位置および形状は図２に示されるものから変更可能である。当業者は、リブまたは窪みがシェルの外周で均一な流量配分を最大限可能にするように配列できることを理解するであろう。
【００２７】
好ましい改質装置１０は、一次の内部シェルの二次の端部３４に隣接して配置された第１の端部４２を有する二次の内部シェル４０も備えている。また、内部シェル４０は、第１の端部４２から間隔を置いて配置され外部シェルの上部または第２の端部１６から離れて置かれた第２の端部４４も有する。また、好ましい二次の内部シェル４０は、内部シェル３０のように円筒形であり、それは同じ外径を有する。二次の内部シェル４０の高さは、一次の内部シェル３０と比べて実質的に低いことがある。少なくとも１つの、好ましくは複数の出口開口４６が一次の内部シェル３０と二次の内部シェル４０との間に、またはこれらの２つのシェルの一方に形成され、一次の内部シェルからガス状流体の通路用に設けられている。
【００２８】
前述したように、ガス状流体は、好ましくは、蒸気と空気の混合物を備えても良く、ガス状流体内の空気と蒸気との相対的な濃度は、改質装置が種々の条件下で動作可能であるように外部手段により調整可能であることは好適である。たとえば、改質装置の起動中、ガス状流体は完全にまたは主に空気から構成され、その結果、水素含有燃料の触媒燃焼を生じさせて所定の温度まで改質装置および触媒を急激に加熱する。いったん温度が十分なレベルに達すれば、ガス状流体中の蒸気濃度は上昇し、それにより改質装置の水素産出量が増大される。
【００２９】
ガス状流体は一次の端部３２の近傍の一次の内部シェル３０の側面に設けられた第２の入口４８を通って一次の内部シェルに入る。入口４８が、ガス状流体を提供するソースまたは供給に、適切なホースまたはパイプ（不図示）によって、連結されることが理解されるであろう。たとえば、蒸気および空気の混合物は、標準的な構造の適切なボイラーによって提供可能である。内部シェルの一次の端部３２に隣接するように図１および図２に示された位置から下方に外部シェル１２を伸ばすことは可能であるけれども、外部シェルを入口４８のすぐ上で終らせることが好ましい。これにより、改質装置の構造は簡略化され、熱応力が低減されるのに役立つ。また、この構造によって、２つのシェルの壁を介して入口４８を通過させる必要性が回避される。好ましくはガス状流体の組成を制御するために外部に設けられる手段を使って、入口４８を通して排出されるガス状流体の量は改質装置に排出される燃料の量に比例させることができることが理解されるであろう。
【００３０】
図２において描かれている開口４６は、円周方向へ引き伸ばされているが、軸方向へは相対的に短い。以下に理解されるように、出口開口は、サイズにおいてより大きくなることがあり、改質装置内に装着された熱交換管５０の長手方向での熱膨張の結果として相互接続される状態になることがある。図２の開口４６は、一次の内部シェル３０における二次の端部３４では城郭建築（castellation）によって形成されている。しかしながら、開口が、シェル３０の二次の端部３４に設けられた波形（scallop）または他の形状により代わりに形成されてもよいことが理解されるであろう。
【００３１】
追加通路５２は、二次の内部シェル４０と外部シェル１２との間に形成され、二次の内部シェルの第１の端部４２から第２の端部４４へ伸びている。ガス状流体は、出口４６を通って流れ出るため、開口のちょうど外側で燃料と混合され、このようにして燃料とガス状流体との混合物が改質装置の使用中に、追加通路５２を通って流れる。また、通路５２を通路３８の延長部と考えることもできる。図２から分かるように、リブ２４は二次の内部シェル４０の位置まで伸び、したがって通路５２は、図１および図２で見られるように、垂直に伸びる多くの副通路も備えることがある。リブ２４（と図１２および図１３の実施の形態の窪み２５と）は、外部シェル内の２つの内部シェルを適切に中心に置いて内部シェルを正しい位置に保持するように、および、全体的な構造を強化するように機能することが分かるであろう。
【００３２】
図１に描かれ図３にさらに明確に図示されているように、一次の内部シェルのニ次の端部３４と二次の内部シェルの第１の端部４２とは、好ましくは符号５４で分離接合部を形成している。２つの内部シェルはこの接合部で連結されないため、二次の内部シェル４０は、前述された熱交換管５０の長手方向での熱膨張時に一次の内部シェル３０に対して自由に移動可能である。したがって、本発明による構造は、金属構成要素の標準寸法を増大させることなく、かつ、エキゾチック材料の使用に訴えることなく、熱交換管の熱膨張を適応させる。同様に、本発明による構造はコンパクトであり、燃料および／またはガス状流体の統合された予熱用に備え、それにより、向上されたエネルギー効率という点で利点を提供する。同様に、反応炉の構造は、燃料変換反応および一酸化炭素浄化反応の両方が実行可できるコンパクトで一体化された構造の形成に適応可能である。
【００３３】
第１の管板５８は、一次の端部３２に近接して一次の内部シェル３０に固定して装着され、この板は一次の内部シェルを封止して閉鎖する。この第１の管板は、好ましくは、取り付け目的および密封目的用の円周フランジ６０とともに形成されている。第１の管板５８は、図面中では円形状に示されているが、一次の内部シェル３０の形状に応じて、適切な形状たとえば長円形、楕円形、矩形、六角形、または任意の他の多面形であってもよいことが理解されるであろう。管板は、この管板に堅固に取り付けることができる同数の管５０の端部を受け入れるために、多くの孔と一緒に形成されている。管５０と管板５８内の孔とは、必ずではないが、好適には円形である。また、管板５８は、改質装置の底部ヘッダーと考えることが可能である。管板の周縁は、蝋付けおよび溶接を含めた任意の適切な既知手段により内部シェル３０の内面に取り付けることができる。
【００３４】
図１に図示されるように、一次の内部シェル３０は、一次の内部シェル３０の一次の端部３２に対して第1の管板５８を正しく配置するために、および、底部チャンバを形成して触媒６２を受け入れるために、内向きに伸びる円周「リップ」５９、または、窪みなどのような他の内向きに広がる凹みとともに形成されている。底部チャンバでは、触媒が管５０から改質油の均一な流れを受け取ることを確実にするために、触媒６２と第1の管板５８との間に十分な大きさの空間が形成されている。加えて、水または蒸気の挿入または混合の装置は、触媒６２内で起こる反応に水を与えるために空間中に挿入されてもよい。これは、図１との関連でさらに詳しく後述される。
【００３５】
また、改質装置は、二次の内部シェル４０に固定して連結され二次の内部シェルの内部を封止して閉じる第２の管板６４を備えている。再度、好ましい管板６４は、第1の端部４２に隣接する内部シェル４０の内面に蝋付けまたは溶接可能な円周フランジ６６を有する。また、第２の管板は、管５０の隣接する端部を受け入れるために内部に形成された複数の孔を有し、好ましくはその孔は円形状であり、この管板は管の端部に堅固に連結できる。描かれた好適な実施の形態では、内部シェル４０は内向きに突出する円周リップ７０とともに形成されている。このリップは、管板６４を正しく配置するのに役立ち、それは燃料変換反応のために第１の触媒７２を設置し支持することもできる。図１に示されるように、第１の触媒は好ましくは二次の内部シェル４０内に装着され、および第２の端部１６の領域内の外部シェル１２の中にも装着されている。この触媒７２は、好ましくは、熱いガス状混合物を作り出すために、蒸気および空気からなるガス状流体と燃料との混合物との接触のために配列された自己熱改質触媒である。
【００３６】
複数の前述された熱交換管５０は、説明を容易にするために図１にそのいくつかだけが示され、第１の管板５８から第２の管板６４に伸びている。これらの熱交換管は、前述の熱いガス状混合物が第１の触媒７２から第２の管板６４を通って、次に第１の管板５８を通って、それから第２の触媒と呼ばれることがある触媒６２まで流れるための通路を形成する。
【００３７】
第２の触媒６２は、好ましくは、前述したように、以下のような水／ガスシフト反応（３）および／または優先的な酸化反応（４）のどちらかからなる「一酸化炭素浄化」で使用するために適切な触媒である：
（３）水／ガスシフト（発熱性）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋Ｈ２
（４）優先的な酸化（発熱性）
ＣＯ＋１／２Ｏ２ →  ＣＯ２
好ましくは、第２の触媒はシフト反応触媒であり、さらに好ましくは高温シフト反応触媒である。水／ガスシフト反応が第２の触媒反応でなければならない場合には、水または蒸気は管板５８のすぐ下で触媒６２の上の点の燃料改質装置の中に導入可能である。この可能性は、破線で示された短い入口管１９０と、Ｗと表示された矢印とによって図１により示されている。図１には図示されないが、混合装置は好ましくは管板５８と触媒６２との間の底部チャンバの内側で受け入れられることが理解されるであろう。混合装置は、水入口管１９０の端部に装着され、触媒６２中での反応のために改質油内の注入水または注入蒸気の均等な配分を確実にする。混合装置は、管板５８と触媒６２との間の空間の長さを効果的に短くしており、そうでなければ、そのような空間の長さは、注入蒸気または注入水の妥当な流れの混合および配分を達成するために必要とされる。
【００３８】
一次の内部シェル３０は、好ましくは、改質油の流出を許容するように描かれたその一次の端部３２で開口している。あるいは、改質油用のより小さな出口開口部は内部シェルの底端部３２に形成可能であり、この出口は１つまたは複数の反応炉に連結可能であり、その反応路には改質油中の一酸化炭素量が、利用中の燃料電池のタイプに応じて５０ｐｐｍ未満となっても良い許容可能レベルまでさらに削減される。たとえば、第２の触媒６２と一緒に実施される一酸化炭素浄化反応が高温シフト反応からなる場合には、改質油は、好ましくは、少なくとも１つの低温シフト反応を含めて改質装置１０の下流で１つまたは複数の追加シフト反応を被っても良いし、および／または改質油は改質装置１０の下流で優先的な酸化を被っても良い。一酸化炭素の除去後、結果として生じた水素ガス生成物は、必要に応じて、燃料電池にパイプで送ることができる。
【００３９】
触媒物質６２または触媒物質７２は、多様なタイプの構造の上で支持可能である。支持構造は、セラミックまたは耐火材料などのような１つまたは複数の耐食性材料および耐熱材料からなっても良いし、改質装置内で流れるガスと触媒物質との間での接触を促進する形態である。支持材料の例には、マグネシア、アルミナ、シリカ、ジルコニア、およびその混合物が含まれ、支持構造はビーズまたは格子の形態、たとえば押出セラミックモノリスグリッドの形態であっても良い。代替物には、触媒支持物または触媒自体が、内部シェルの領域中に機械的に組み付けられた波形で圧延金属箔を有しても良い。波形の箔は、たとえば、タービュライザ（turbulizer）などのような細長い渦巻き形状であってよい。金属箔が使用されると、それはそれ自体既知の方法で装着されるので、それは振動しないが、触媒の高温動作状態の下で熱膨張を可能にする。代替の構成では、第１の触媒のいくらかまたはすべては熱交換管５０の内部に入れられてもよく、たとえば触媒材料は管５０の内面および／または管５０の中に入っているタービュライザの内面の上で支持されても良い。 触媒材料の形態または支持構造物に関係なく、触媒材料は、改質装置を通って燃料／ガス混合物の流れを不当に制限しないように配列されている。触媒の配列は（描かれているように）、改質装置がきわめてコンパクトになることを許容するとともに、全長要件を大幅に低減する。
【００４０】
好ましくは、描かれているバッフル板７５、７６、７７などのような多くのバッフル板が管５０に装着されている。図１、図４ａ、図４ｂおよび図５に図示されるように、これらの板の端縁は、好ましくは、内部シェルに近接しているが連結されてはおらず、少なくとも１つの管に、好ましくは複数の管に堅固に連結されている。バッフル板を管に連結する１つの理由は、組み立てプロセスをより容易にすることである。バッフル板は、好ましくは、管５０が内部シェルに対して長手方向に拡張するように内部シェルに連結されていない。
【００４１】
板７５、７６、７７は開口とともに形成され、好適にはその開口は円形状であり、それを介して管５０が伸びるようにしている。最下部のバッフル板７５は環状であり、その中には大きな中心開口８０が形成されている。最外部の管５０′はその底端部の近くの板７５を通って伸びる。また、最上部のバッフル板７７は環状であり、大きな中心開口８２を有し、最外部の管５０′はその上端部の近くの板７７を通って伸びるようにしている。最上部のバッフル板７７と最下部の板７５との径は、好ましくは、板７５、７７の端縁と一次の内部シェル３０との間の隙間を通ってガスが殆ど流れないようになっている。その隙間は好ましくは１ｍｍを超えない。板７５、７７と一次の内部シェル３０との間の隙間は図面では誇張されていることが理解されるであろう。
【００４２】
バッフル板７６は下部のバッフル板７５と上部のバッフル板７７との間に位置されており、１つだけが図１に図示されているけれども、多くの中心に位置した管５０がこの板を通って伸びることができる。最下部のバッファ板および最上部のバッフル板７５、７７と対照的に、板７６はガス通路用の大きな中心開口部を有していない。その代わりに、板７６は、板７６の端縁と一次の内部シェル３０の端縁との間に相対的に大きな隙間が存在するような直径を有し、それによって板７６の端縁の周りでのガスの流れを促進する。このようにして、バッフル板７５、７６、７７は、熱交換プロセスを増進するような曲がりくねった方法または螺旋状の方法で上向きに流れるガス状流体を強制的に流すとともに、出口開口４６を通って排出用の良好な環状流速分布を強制的に確立させる。図１の上部のバッフル板７７の中心開口８２を通過する湾曲状矢印によって示されるように、上部のバッフル板７７を通過するガス状流体は出口開口４６に向かって半径方向外向きに流れる。ガス状流体は、開口４６を通過するにつれ、触媒床７２に入る前に混合流体の良好な半径方向流速分配に備えて、軸方向に流れる水素含有燃料と均一に混合される。
【００４３】
熱交換器内に４枚以上のバッフル板が存在する可能性があること、およびバッフル板が図面中に示されるような円形状または環状を必ずしも有さないことが理解されるであろう。むしろ板は、適切な流速分散を維持している間に、熱交換プロセスを増進させる何らかの構成を有することができる。
【００４４】
上方へ流れる蒸気および空気は管５０を通過し下方へ流れる改質油によって加熱されることが理解されるであろう。この交換の結果として、改質油は、管を下方に通過するにつれて冷却される。改質油の温度が蒸気と空気との混合物よりはるかに高いため、管の熱膨張は内部シェル３０の膨張よりはるかに長い。しかしながら、二次の内部シェル４０は一次の内部シェル３０に対して自由に移動できるため、管５０のさらに大きな膨張が適応され、したがって、さもなければ管とヘッダーの１つまたは両方との間の接合部、またはヘッダーと内部シェルとの間の接合部を破壊可能な熱応力は形成されない。管の熱膨張のために、出口開口４６の大きさは燃料改質装置の運転中に変化し、これらの出口開口は、事実上、管５０の長さが拡大するにつれて大きくなり、それにより一次の内部シェルからのガス状流体の支持流量または増加流量のどちらかを達成するために開口の流れ抵抗が低減されることも分かるであろう。これにより、改質装置が最適運転温度を達成するので、より速い改質プロセスが許容されるという利点がある。改質装置を通って流れるガスは、その温度が上昇するにつれてより濃密でなくなること、および、増大された開口サイズはそれを部分的に補償してよいことに注意しなければならない。
【００４５】
好ましく描かれている燃料改質装置においては、第１の触媒７２に水素含有燃料と（蒸気および空気から成る）ガス状流体との混合物を排出するように適応された水素含有燃料混合物の排出装置がある。この水素含有燃料混合物の排出装置は多様な形態を取ることができるけれども、図１および図２において好適に描かれた実施の形態では、この装置は一次および二次のシェル部材の回りに伸びるとともに一次のシェル部材に堅固に連結された前述の外部シェル部材１２を備えている。たとえば、入ってくる水素含有燃料は、図１および図２に描かれているもの以外の手段によって、たとえば熱交換チャンバ１００を通過する蒸気および空気の熱い混合物との熱交換手段によって加熱され得ることが理解されるであろう。図５に図示された代替構造では、燃料は、出口開口４６から通過する蒸気および空気の熱い混合物と混合可能な場合に、単純に上部チャンバ１０２に直接的に導入され得るであろう。上部チャンバ１０２は、第１の触媒７２に隣接する閉鎖混合チャンバと見なすことができる。燃料は、図5の改質装置の内部で予熱されないけれども、システムのどこかで予熱されてもよい。図５に図示される燃料改質装置は、燃料および酸素含有ガスが触媒７２に到達する直前に結合されるため、安全性という点で好ましい構成であるかもしれない。
【００４６】
二次の内部シェル４０および第２の管板６４の組み合わせは、一次の内部シェル３０から分離され二次の端部３４の近傍に位置された第２の管板デバイスと考えることができる。この第２の管板デバイスは熱交換チャンバ１００の一端部を形成する。上記で説明されているように、二次のシェル部材４０を含む第２の管板デバイスの一端部は一次のシェル部材における二次の端部３４に隣接して位置される。
【００４７】
必要に応じて、それ自体が既知構造であるタービュライザは、燃料、蒸気、および空気の非常に良好な混合を確実にするために、通路５２の中に差し込むことができる。このタービュライザの形状は環状であり、二次の内部シェル４０の円周の回りに広がっていることが理解されるであろう。
【００４８】
これらの燃料改質装置の原材料であるシートメタル（薄板金）は、必要な耐久性を達成するために、十分な高融点、高温強度、および耐酸化性を有さなければならない。この改質装置を構成するために使用できる代表的な材料には、オーステナイト系またはフェライト系ステンレス鋼、インコネル（商標登録）、および、他のニッケルまたは合金鋼の材料が含まれる。シートメタルの標準寸法は、特定の改質装置システムの設計に依存するが、通常、低い耐用期間要件から中くらいの耐用期間要件に対して０．５ｍｍから４ｍｍの範囲となることがあり、または、その標準寸法は、大きな耐用期間用途または長い耐用期間用途（たとえば固定電源）に対してその範囲を超えて二倍にできる。本発明の燃料改質装置のサイズは、その使用目的に応じて変化可能であり、一般的に望ましいと理解されることは、所望の耐久性を維持しつつ改質装置の重量および空間の要件を低減することである。
【００４９】
描かれた燃料改質装置の初期の起動のために、別々の気化器（不図示）を使用して、初期の発熱性自己熱改質が開始可能であるようにガソリンなどのような燃料を加熱および気化することができる。この反応がいったん始まると、自己熱改質プロセスにより生じる熱のために、触媒７２におけるシステムの温度が瞬時に上昇する。
【００５０】
初期使用される少量の燃料を温めて自己熱改質反応を開始またはその開始を容易にするのに十分に高い混合温度を達成するために、チャンバ１００を出るガス状流体を使用することも可能であるかもしれない。必要に応じて、触媒バーナーまたは非触媒バーナーを使って、少なくとも改質装置の低温度始動のためにガス状流体を加熱できる。
【００５１】
また、図５に示された代替の燃料改質装置１１０は、外部シェル１１２が改質装置１０の外部シェル１２より実質的に短いという点で、燃料改質装置１０と異なっている。外部シェル１１２は、開口４６のすぐ下であることがある第１の端部または底端部１１４で終了する。外部シェルは、第１の実施の形態のキャップ部材と異なって、改質装置への水素含有燃料の流れのために中心入口１２６とともに形成された上部のキャップ部材１２２によって閉じられている。それ故に、すでに前述されたように、燃料は、第１の触媒７２を通過する直前にガス状流体と混合された場合には、上部チャンバ１０２の中に直接流れる。何らかの用途に対して、燃料は、加熱されていないチャンバ１０２に入ることができ、または燃料は、適切な既知の加熱手段（不図示）によって他のどこかで予熱され得る。第１の実施の形態における一次の内部シェル３０に対して構造上類似することがある一次のシェル１３０が外部シェル１１２の中に伸びている。シェル１３０は、一次の端部３２と二次の端部３４との間に延びる外面１３６を有する。一次のシェル１３０は、溶接または蝋付けによって第１の端部１１４で外部シェル１１２に堅固に取り付けられる。この実施の形態では、一次のシェル１３０が外部シェルの中に短い距離だけ伸びている。また、燃料改質装置１１０は、外部シェル１１２内に位置された二次のシェル１４０を有する。二次のシェルは、第１の実施の形態における二次のシェル４０に構造上類似することがある。二次のシェル１４０と外部シェル１１２との間には通路５２が形成されており、好適な実施の形態では、それは、この通路を介して混合チャンバ１０２へ向かって上方に通過する蒸気と空気との混合物である。また、この実施の形態では、一次のシェル１３０の二次の端部３４と二次のシェル１４０の第１の端部または底端部４２との間に符号５４の分離接合部が形成されている。
【００５２】
一次の内部シェル３０が二次の内部シェル４０に出会う領域内に形成された出口開口が多様な形で設けることができ、これらの代替物のいくつかは図面中の図６〜図１０に描かれていることは当業者により理解されるであろう。図６に描かれているように、複数の出口開口１５０は、二次の端部３４の下の短い距離の所に一次の内部シェル３０で形成され得る。これらの開口は、図示されているように矩形となることがあり、または、それらは円形または楕円形などのような他の形状となることがある。好ましくは、これらの開口は内部シェル３０の円周の回りに均等に分布され、好ましくは出口開口はすべて類似または同一の大きさである。突合せ継手または分離接合部５４は、この実施の形態でも設けられており、単独で使用されても良いし、または、図６〜図１０に図示されるような追加開口とともに使用されても良いことが理解される。
【００５３】
図７に描かれている代替の実施の形態では、複数の出口開口１５２が二次の内部シェル４０の円周の回りに形成され、その第１の端部４２から近い距離だけ離れて置かれている。描かれている開口は円形であり、さらに正方形、矩形、および楕円形などのような他の形状も可能である。開口１５２は、好ましくは二次の内部シェルの円周の回りに均等に分配されている。一次の内部シェル３０に形成された出口開口１７０があっても良いし、またはなくても良い。やはり、符号５４で提供される突合せ継手または分離接合部がある。
【００５４】
図８および図９に描かれている実施の形態に戻って、この実施の形態は、一次の内部シェル３０が二次の端部３４から短い距離の所に位置される複数の矩形状出口開口１５０とともに形成されているという点で、図６に描かれているものと類似している。しかしながら、この実施の形態では、上部または二次の内部シェル４０は短いスリーブ伸張部１５４とともに形成されている。このスリーブ伸張部は、一次の内部シェルの二次の端部３４に隣接する端部で内部シェル４０の円周の回りに伸びている。スリーブ伸張部１５４は、内部シェル４０の主要な周側壁１５６と同軸である。周側壁１５４が第１の所定直径を有する一方、スリーブ伸張部１５４は、第１の所定直径と異なるとともに実際には図８および図９において示されている実施の形態の第１の所定直径より小さい第２の直径を有することが理解される。スリーブ伸張部１５４は、出口開口１５０の領域に位置された自由端部１５８を有する。前述された実施の形態と同様に、二次のシェル部材４０は、図９に描かれている第１または初期の位置と図８に描かれている第２の位置との間で燃料改質装置の使用中に、相対的に移動可能であることが理解される。これらの図に示されるように、第１の位置では、開口１５０はスリーブ伸張部１５４によって部分的に遮られている。しかしながら、燃料改質装置が温まり管束が膨張するにつれて、内部シェル４０は一次の内部シェル３０から短距離だけ移動し、したがって、図８に図示されるように、開口１５０は、シェル３０からのガス状流体の通路用に少なくとも大体または完全に開いている。この実施の形態には、依然として分離接合部１６０が存在するが、この接合部は内部シェル３０の二次の端部３４と周側壁１５６の隣接する端部との間に形成されている。この実施の形態では、スリーブ伸張部１５４の外径は、内部シェル３０の内径より僅かだけ小さい。
【００５５】
図１０に図示される変形例を参照すると、この実施の形態は、出口開口１５２が二次の内部シェル４０の円周の回りに形成されその第１の端部４２から短い距離だけ離れて置かれているという点で、図７に図示されているものと類似している。一次の内部シェル３０′は、シェルの二次の端部３４でその側壁に接続された同軸スリーブ伸張部１５１とともに形成されている。一次の内部シェル３０′が外径Ｄ１を有する一方、二次の内部シェルは内径Ｄ２を有していることが分かる。スリーブ伸張部１５１は、一次の内部シェル３０′の外径Ｄ１とは異なるとともに二次の内部シェル４０の内径Ｄ２と異なる外面１５３に対して測定されるような外径Ｄ３を有する。図１０の好適な実施の形態では、直径Ｄ３は両直径Ｄ１とＤ２とより小さい。スリーブ伸張部１５１は出口開口１５２の領域に位置された自由端部１５５を有する。図１０に図示されるように、これらの開口はスリーブ伸張部１５１によって部分的に遮られているが、燃料改質装置が温まるにつれ、これらの開口はガス状流体の通路のためにあまり遮られなくなり、または完全に開かれる。
【００５６】
これらの代替構造の変形例が可能であることは理解される。たとえば、対向する内部シェルの内側に収容される図９のスリーブ伸張部１５４または図１０のスリーブ伸張部１５１の代わりに、対向する内部シェルの外径より大きい内径を有するようにスリーブ伸張部１５１または１５４を構成することが可能であり、それにより、対向するシェルの端部はスリーブ伸張部１５１または１５４の内側に収容される。あるいは、スリーブ伸張部と、対向する内部シェルとの両方の中に開口を設けることが可能である。燃料改質装置が冷えると、スリーブ伸張部および対向する内部シェルの開口は部分的にだけ整列され、燃料改質装置が温まるにつれ、開口は次第に互いにさらに大きく整列される。出口開口に対して代替構造が可能であるけれども、一般的にはこれらの出口開口は突合せ継手または分離接合部５４、１６０に隣接して位置されまたは配置されている。
【００５７】
図１１に示されるように、単一の連続的な開口１６１が一次のシェルと二次のシェルとの間に存在するように改質装置を構成することも可能である。そのような構造では、管５０は一次の内部シェルと二次の内部シェルとの間に開口１６１を作れるほど十分な長さであり、隙間１６１は管５０の長手方向の膨張に対応して拡大している。
【００５８】
触媒の１つが完全に除かれ改質装置が第１の触媒７２または第２の触媒６２だけを含む本発明の燃料改質装置を構成することが可能であることは、燃料改質の当業者によって理解される。そのような燃料改質装置２１０の一例が図１４に描かれている。燃料改質装置２１０の構成要素の大部分は、好ましい燃料改質装置１０に関連して前述された構成要素と同一であり、同一の参照番号で特定される。燃料改質装置２１０は、第２の触媒６２が燃料改質装置２１０から除かれているという点で、燃料改質装置１０と異なる。たとえば、改質装置２１０の下流ですべての一酸化炭素浄化反応を実行することが所望される場合に、好ましい燃料改質装置２１０が利用されてもよい。
【００５９】
図１４に図示されている好適な実施の形態が燃料改質装置としての使用に適しているけれども、その代わりにそれを触媒バーナーとして使って、燃料電池システム内の他のどこかで使用するために発熱させ、たとえば、燃料変換反応用に蒸気を加熱しても良い。バーナーによって生じる熱は、好ましくは、バーナーの下流で回収される。そのような実施の形態では、好適には、水素含有燃料は、熱い燃焼ガスを精製するために酸素含有のガス状流体と触媒で反応される燃料電池陽極オフガスから部分的にあるいは完全に構成されても良い。燃焼ガスに含まれる熱のいくらかは、入ってくる燃料およびガス状流体に移され、追加熱は、好ましくは、ばらばらに分離している装置であるのか、またはバーナーと一体化できるのかどちらかの１つまたは複数の熱交換器により回収される。前述されたように、ここで説明された他の好適な燃料改質装置は触媒バーナーに同様に転換されてもよい。
【００６０】
前述されたように、ここで説明された好ましい燃料改質装置は、両方の触媒を改質装置の構造から除くことによって非触媒バーナーに転換することもできる。本発明による非触媒バーナーでは、前述された触媒バーナーと同様に水素含有燃料が、バーナーの上部チャンバ（たとえば、図１のチャンバ１０２）内の酸素含有のガス状流体と燃焼される。それから、熱い燃焼ガスは、管５０を通過するにつれ、入ってくる燃料およびガス状流体により部分的に冷却される。次に、部分的に冷却された燃焼ガスは、好ましくは、ばらばらに分離している装置であるか、またはバーナーと一体化されることがあるかのどちらかである１つまたは複数の追加の熱交換器によってさらに冷却される場合に、バーナーから出る。
【００６１】
図１５は、前述されたように、触媒バーナーまたは非触媒バーナーとして特に有効でもある本発明の他の好ましい燃料改質装置３００を描いている。燃料改質装置３００の構成要素の大部分は、好ましい燃料改質装置１０に関して前述された構成要素と同一であり、同一の参照番号により特定される。燃料改質装置３００は、それが、改質装置３００の第１の端部３１４と第２の端部３１６との間で伸張する外部シェル３１２を有する単一のシェル設計であるという点で、図１に図示されたものと主に異なっている。燃料改質装置３００は、水素含有燃料とガス状流体との両方が熱交換チャンバ１００の中に導入されることもある単一の入口を有する。あるいは、水素含有燃料およびガス状流体は、燃料が上部のキャップ部材２２を通って導入される図５の構造を含む別々の入口（不図示）を介して導入されてもよい。
【００６２】
改質装置３００では、水素含有燃料およびガス状流体は熱交換チャンバ１００の内側で混合され、バッフル板７５、７６、７７の回りおよびそれらを通して熱交換チャンバ１００を上部のチャンバ１０２に連結する環状通路３５２の中に流れ込む。混合された燃料およびガス状流体は、好ましくは自己熱改質によって、水素および一酸化炭素を作り出すために触媒７２を通って流れるにつれ、反応させられる。熱い改質油は管５０を通って流れ、その熱のいくらかを熱交換チャンバ通って流れる燃料およびガス状流体に移動する。
【００６３】
環状通路３５２は、外部シェル３１２と、第２の管板６４に固定された内部シェル３４０との間に形成されている。熱応力は、内部シェル３４０と外部シェル３１２との間で固定連結部がないことによって防止され、それにより、分離接合部が形成され管の軸方向への膨張が外部シェル３１２に対して内部シェル３４０の相対的な軸方向の移動をもたらす。
【００６４】
改質装置３００は、２つの触媒７２、６２を有する改質装置からなるように示されているけれども、改質装置３００が単一の触媒を有する燃料改質装置として使用されてもよいし、または前述されたように触媒バーナーまたは非触媒バーナーとして使用されてもよいことが理解される。改質装置３００は、他の好適な実施の形態に関して前述された方法で外部シェル３１２内に内部シェルを中心に置くためにリブ２４または窪み２５などを設けられてよいことも理解されるであろう。
【００６５】
また、本発明の範囲内に含まれるのは、本発明による２つまたはそれより多くの個々の反応炉が、一体化された構造を形成するために端と端を接して接合された一体化燃料転換反応炉である。一体化された構造は、好ましくは、個々の反応炉の外部シェルを溶接または蝋付けすることによって形成されてもよい。図１６は、一体化反応炉における１つの好ましい形態を描いており、その一体化反応炉は、図１に図示されたものと類似し単一の触媒７２を有する反応炉４０２が、図５に示されたものと類似し一対の触媒７２′、６２を有する反応炉と端と端を接して結合された燃料改質装置４００を備えている。特に好ましい実施の形態では、反応炉４０２の触媒７２は、水素含有燃料を水素に転換するための燃料変換触媒、好ましくは自己熱改質触媒を備えている。反応炉４０４の触媒７２′、６２は、好ましくは高温シフト反応触媒と低温シフト反応触媒とをそれぞれ備えてもよい。この反応炉４００では、触媒７２で作り出された熱い改質油が、反応炉４０２の管５０を通って流れ込むとともに、それが反応炉４０４の熱交換チャンバ１００内で予熱された蒸気と結合される混合チャンバ４０６の中に流れ込む。一酸化炭素を使い果たした改質油は、低温シフト反応用の触媒６２に入る前に、チャンバ１００内の蒸気との熱交換により冷却された場合には、触媒７２′から反応炉４０４の管５０を通って流れる。同様に、優先的な酸化触媒を含む一体化システムを提供することが可能である。
【００６６】
一体化された燃料転換反応炉５００の別の形態が図１７に描かれている。詳しく後述されるように、反応炉５００は、特定の条件下で、図１および図５の熱交換器１０、１１０で発生するような第１の触媒７２と第２の触媒６２との間で改質油の過冷を避けるように設計されている。入口４８に入るガス状混合物の温度は、上流システムの設計状態および作動状態の関数である。このように、ガス状混合物の温度は、作動状態に応じていくぶん変化してよい。たとえば、特定の自己熱改質システムでは、入口４８に入るガス状混合物の温度は、完全な負荷条件下では約１８０℃であってもよいが、部分的な負荷条件下では約１６０℃まで下がってよい。他方、第２の触媒６２の作動温度は約２３０℃であることを必要とするかもしれない。したがって、特に部分的な負荷条件下では、触媒７２、６２の間を通る改質油が熱交換チャンバ１００を通過するガス状混合物により過冷できる可能性がある。この問題は、水の冷却効果のため図１と同様に管１９０を通して水が加えられる場合には、複雑になることがある。従来技術の反応炉内での改質油の過冷は、ガス状混合物の一部が部分的な負荷条件下でチャンバ１００を迂回するバイパス線路および弁を設けることにより回避されている。しかしながら、弁および線路は、燃料改質装置に複雑さを加え、弁を高温にさらすことは弁の耐久性または信頼性の限界をもたらすことになる。
【００６７】
反応炉５００は、一体化された構造を設けることにより過冷を回避しており、その一体化された構造は、第１の触媒と第２の触媒６２とを有する第１の熱交換器部５０２と、ガス状混合物が導入され第２の触媒６２から流れる改質油によって加熱される第２の加熱交換器部５０４とを備えている。反応炉５００の構造および動作は詳しく後述される。
【００６８】
反応炉５００の第１の熱交換器部５０２は、図５に図示された燃料転換反応炉１１０と構造の点で類似しており、その類似する構成要素は類似する参照番号により特定される。第１の熱交換器部５０２には、好ましくは、自己熱触媒であってもよい第１の触媒７２と、好ましくは、一酸化炭素浄化触媒、たとえばシフト反応触媒からなる第２の触媒６２とが含まれても良い。
【００６９】
また、第２の熱交換器部５０４は、バッフル板７５、７６、７７を管５０に設けた状態で管板５８と管６４との間に伸張する管５０を有する図５に図示された燃料転換反応炉１１０と構造においてなんらかの類似性を有する。第２の熱交換器部５０４は、外面５３６を備えた一次のシェル５３０を有し、管５０を通って第２の触媒６２を離れた改質油により加熱されるためにガス状混合物が熱交換チャンバ５０６に入る管板５８に近接して位置された入口４８を備えている。以下の説明を条件として、第２の熱交換器部の一次のシェル５３０は、第１の熱交換器部５０２の一次のシェル１３０の伸張部を備えてよい。
【００７０】
図１７に図示された熱交換器５００では、入口４８を通って第２の熱交換器部５０４に入るガス状混合物は燃料、空気、および蒸気を備えている。したがって、熱交換器５００は、燃料用の別個の入口を含んでいないという点で、熱交換器１０、１１０とさらに区別される。しかしながら、その代わりに、熱交換器５００は、熱交換器１０の外部シェル１２の入口２６または熱交換器１１０の上部のキャップ部材１２２内の入口１２６と類似した別個の燃料入口を設け得ることが理解される。熱交換器５００が燃料入口２６と類似した燃料入口を備える場合には、外部シェル１１２が図１と同様に下方に広げられることが理解される。
【００７１】
外部シェル部５１２は第１の熱交換器部５０２の下部と第２の熱交換器部５０４の上部とを囲んでいる。外部シェル部５１２は、その上端部５０８で第１の熱交換器部５０２の一次のシェル１３０に堅固に取り付けられ、その下端部５１０で第２の熱交換器部５０４の一次のシェル５３０に堅固に取り付けられる。上端部５０８と下端部５１０との間には、外部シェル部５１２は、第２の熱交換器部５０４の熱交換チャンバ５０６から第１の熱交換器部５０２の熱交換チャンバ１００へ燃料、蒸気、および空気のガス状混合物の通路用の環状通路５５２を形成できるように、一次のシェル１３０、５３０の外面１３６、５３６から間隔を置いて配置されている。ガス状混合物は、第２の熱交換器部５０４の管板６４に近接した外部シェル５３０に（またはシェル５３０とシェル１３０との間に）設けられる１つまたは複数の開口５４６を通って環状通路５０２に入り、第１の熱交換器部５０２の外部シェル１３０に設けられる１つまたは複数の開口５４８を通して環状通路５５２を離れる。
【００７２】
第１の熱交換器部５０２の管板６４に近接した開口５５０だけではなく開口５４６、５４８の構造が、ここで詳しく説明される。開口５４６、５４８、５５０は、シェル１３０、５３０の中に形成された別々の開口の形態を取ることができ、または分離接合部５４と構造上で類似する分離接合部の形態を取ることができる。分離接合部が設けられた場合には、接合部が、その中に示された開口を含めて、図１および図５〜図１０のどれかに図示されるような構造を有することができることが理解される。
【００７３】
たとえば、図１８は、開口５５０が複数の別々の開口５５２を備え分離接合部が設けられない実施の形態を描いている。しかしながら、第１の熱交換器部５０２の管５０の長手方向の熱膨張に順応するために、図１および図５〜図１０に描かれるような分離接合部５４を設けることが好ましい。
【００７４】
また、少なくとも１つの開口５４８は、図１８に図示されるようなシェル１３０に形成された別々の開口の形態を取ることもでき、または、単一の連続的な開口５４８が分離接合部の形態で設けられ、それにより、開口５４８の上方に位置されたシェル１３０の一部が開口５４８の下方のシェルの一部から分離される。開口５４８により形成された分離接合部は、図１および図５〜図１０のどれかに図示されるような構造を有することができる。
【００７５】
前記少なくとも１つの開口５４６は第１の熱交換部５０２のシェル１３０と第２の熱交換部５０４のシェル５３０との間で形成されている。開口５４６は、図１８に図示されるような複数の別々の開口の形態を取ることができ、シェル５３０がシェル１３０と一体の伸張部を形成し分離接合部が形成されないようにしている。あるいは、シェル１３０、５３０が互いから分離され１つの分離接合部が設けられるように、単一の連続的な開口５４６が設けられ得る。開口５４６により形成された分離接合部は、図１および図５〜図１０のどれか１つに示されるような構造を有することができる。
【００７６】
分離接合部は、熱交換器５００の熱膨張に順応できるように、開口５４６、５４８、５５０の１つまたは複数を設けられることが好ましい。さらに好ましくは、第１の触媒７２により作り出された相対的に高温の改質油によって引き起こされる第１の熱交換器部５０２の管５０の熱膨張に順応できるように、分離接合部は少なくとも開口５５０に設けられる。分離接合部が開口５５０に設けられる場合には、開口５４６、５４８は好ましくはそれぞれ間隔を置いて配置された複数の開口を備えても良い。追加の分離接合部を開口５４６または開口５４８に設けることはこの場合には相対的に重要ではない。その理由は、通常、第２の触媒６２の至る所に相対的に小さい温度差が存在するためである。また、開口５４６、５４８の両方に分離接合部を設けるとともに、開口５５０で分離接合部を排除することが好ましいかもしれない。分離接合部が開口５４６または開口５４８に設けられる場合には、それらは好ましくは図１１に示されるように「予め間隔を置いて配置（ｐｒｅ−ｓｐａｃｅｄ）」される。その理由は、接合部の開口領域（面積）が第１の熱交換器部５０２内の管５０の熱膨張のために減少するからである。この場合には、ガス流量の制限または許容可能な最小隙間の予定を回避するために長孔を設けることが必要となるかもしれない。
【００７７】
図１９は、図１７に図示された反応炉５００と構造および動作の点で類似している一体化燃料転換反応炉６００の別の例を描いており、類似する構成要素は類似する参照番号によって特定される。燃料転換反応炉６００は、第１および第２の触媒７２，６２を有する第１の熱交換器部６０２を含み、好ましくは、以下に記された相違点を除いて反応炉５００の第１の熱交換器部５０２と同一である。また、反応炉６００は、以下に記された場合を除いて、好ましくは反応炉５００の部５０４と同一である第２の熱交換器部６０４を含んでいる。
【００７８】
反応炉６００では、外部シェル部５１２は排除され、少なくとも第１の熱交換器部５０２は、その一次の端部６３２に少なくとも近接した拡大直径となる一次のシェル６３０を設けられている。一次のシェル６３０は、第２の熱交換器部６０４の一次のシェル５３０の少なくとも１つの開口５４６に近接した第１の端部６４２と、第１の熱交換器部６０２の管板５８のフランジ６０に堅固に固定された第２の端部６４４とを有する二次の内部シェルの上に嵌っている。シェル６３０の一次の端部６３２は、第１の熱交換器部６０２および第２の熱交換器部６０４のチャンバ５０６とチャンバ１００との間でガスの流れのための通路６５２を形成できるように、開口５４６の下方における第２の部６０４の一次のシェル５３０に堅固に固定されている。環状開口６５４が、一次のシェル６３０と一次のシェル５３０の第２の端部６４４との間に形成されることが分かる。好ましくは、熱交換器６００の開口５４６、５５０の１つまたは両方が、図１７に関して前述されたような分離接合部の形態を取っている。さらに好ましくは、少なくとも開口５５０は、分離接合部の形態を取っている。
【００７９】
本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、描かれ記述された燃料改質装置に対して多様な変形および変更をできることは、燃料改質装置の当業者によって理解される。したがって、添付請求項の範囲内に含まれるようなこのようなすべての変形および変更は本発明の範囲内に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明に従って構成された燃料改質装置を備える燃料転換反応炉の好ましい形態における軸方向断面である。
【図２】図１の燃料改質装置の一側および上部を示す斜視図であり、この図は内部シェルの詳細を描くために部分的に切断された外部シェルを有している。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面詳細であり、この図は２つの内部シェルの間の分離接合部を示している。
【図４ａ】図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った水平断面である。
【図４ｂ】図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った水平断面である。
【図５】燃料改質装置を備えた燃料転換反応炉の他の実施の形態の軸方向断面であり、燃料は改質装置自体によって予熱されていない。
【図６】図３に類似する断面詳細であるが、一次の内部シェルに形成された出口開口の別の形態を示す。
【図７】図３に類似する断面詳細であるが、出口開口が二次の内部シェルに形成された他の実施の形態を示す。
【図８】図３に類似する断面詳細であるが、出口開口が一次の内部シェルに形成され二次の内部シェルがスリーブ延長部とともに形成されたさらなる実施の形態を示す。
【図９】図８の実施の形態の別の断面詳細であるが、異なる位置または初期の位置における２つの内部シェルを示す。
【図１０】図３に類似するさらなる断面詳細であるが、出口開口が二次の内部シェルに形成され一次の内部シェルがスリーブ延長部とともに形成された別の実施の形態を示す。
【図１１】図３に類似するさらなる断面詳細であるが、単一の連続的な出口開口が一次の内部シェルと二次の内部シェルとの間に形成された他の実施の形態を示す。
【図１２】図２に類似する斜視図であるが、外部シェル上の突起の代替形態を示す。
【図１３】図１２のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面詳細であり、この図はディンプル状突起の回りの環状波形の使用を示す。
【図１４】第２の触媒床が排除された燃料改質装置を備える燃料転換反応炉のさらに代替の実施の形態の軸方向断面である。
【図１５】本発明のさらなる代替の実施の形態による単一シェル燃料転換反応炉の軸方向断面である。
【図１６】本発明による一体化燃料転換反応炉の軸方向断面である。
【図１７】本発明の他の実施形態による一体化燃料転換反応炉の軸方向断面である。
【図１８】図６に類似する断面詳細であり、図１７に示される燃料転換反応炉の第１の熱交換器部の一次の内部シェルに形成された不連続的な出口開口を示す。
【図１９】本発明のさらに他の実施の形態による一体化燃料転換反応炉の軸方向断面である。
【符号の説明】
【００８１】
１０    転換反応炉
１２    外部シェル
１４    第１の端部
１６    第２の端部
３０    一次の内部シェル
３４    二次の端部
４０    二次の内部シェル
４２    第１の端部
４６    出口開口
５０    熱交換管
５８    第１の管板
６４    第２の管板
１００  熱交換チャンバ
【図１】
0005185493.tif 000002
【図２】
0005185493.tif 000003
【図３】
0005185493.tif 000004
【図４ａ】
0005185493.tif 000005
【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
0005185493.tif 000008
【図７】
0005185493.tif 000009
【図８】
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【図９】
0005185493.tif 000011
【図１０】
0005185493.tif 000012
【図１１】
0005185493.tif 000013
【図１２】
0005185493.tif 000014
【図１３】
0005185493.tif 000015
【図１４】
0005185493.tif 000016
【図１５】
0005185493.tif 000017
【図１６】
0005185493.tif 000018
【図１７】
0005185493.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
0005185493.tif 000021